CN110685706B - 一种盾构机机器人换刀实验装置 - Google Patents

一种盾构机机器人换刀实验装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种盾构机机器人换刀实验装置，解决了现有技术中盾构机换刀困难、模拟数据精度不高的问题。本发明包括模拟土仓和模拟式换刀机器人，模拟土仓上连接有泥水加注装置和加压装置，模拟土仓的下部设有排污装置，模拟土仓内设有可摆动式滚刀系统，模拟土仓的一侧设有机器人仓，模拟式换刀机器人位于机器人仓中且与可摆动式滚刀系统相对应。本发明可模拟盾构机真实工况环境，模拟土仓内部为全密封结构，可承受在高压高湿环境中持续工作，换刀机器人与实际换刀机器人同比例缩小，其执行动作与控制系统与实际工况相同，全程高精度模拟滚刀换刀过程，换刀精度高、误差小，且能清楚观察整个换刀过程，数据可信度高。

Description

一种盾构机机器人换刀实验装置
技术领域
本发明涉及盾构试验设备技术领域，特别是指一种盾构机机器人换刀实验装置。
背景技术
全断面掘进机施工过程中刀具消耗大、更换频繁，刀具检测及换刀作业时间占隧道施工周期的10%以上，现有刀具检测与换刀工作主要依赖人工作业，大埋深、高水压等施工环境下作业安全隐患大，易出现人员伤亡等重大安全事故。据统计，国内近70%的隧道施工安全事故都与人工换刀作业直接相关，“检测难、换刀险”的国际性行业难题已成为制约复杂地质条件下隧道施工安全与效率的瓶颈。研发适用于盾构机的换刀机器人迫在眉睫，但盾构机刀盘处于高压高湿环境，且整台盾构机体积庞大造价高昂，如果采用真机进行相关研发试验会大幅度提高研发成本，并增加试验难度，为此，设计一种与现有盾构机工况接近的盾构机换刀实验台很有必要。
发明内容
针对上述背景技术中的不足，本发明提出一种盾构机机器人换刀实验装置，解决了现有技术中盾构机换刀困难、模拟数据精度不高的问题。
本发明的技术方案是这样实现的：一种盾构机机器人换刀实验装置，包括模拟土仓和模拟式换刀机器人，模拟土仓上连接有泥水加注装置和加压装置，模拟土仓的下部设有排污装置，模拟土仓内设有可摆动式滚刀系统，模拟土仓的一侧设有机器人仓，模拟式换刀机器人位于机器人仓中且与可摆动式滚刀系统相对应。
所述可摆动式滚刀系统包括刀梁本体、支撑座和新型滚刀组件，新型滚刀组件通过螺栓安装在刀梁本体上，支撑座设置在模拟土仓底部内侧，刀梁本体的一端与支撑座铰接，刀梁本体的下部设有俯仰油缸，俯仰油缸的一端与刀梁本体铰接、另一端与支撑座连接。
所述模拟土仓的底部固定设有连接座，支撑座与连接座可滑动连接。
所述模拟式换刀机器人包括换刀机器人本体，换刀机器人本体的前端设有末端执行机构，所述机器人仓内设有地轨，换刀机器人本体与地轨滑动连接。
所述换刀机器人本体包括第一支撑臂和第二支撑臂，第一支撑臂内滑动设有第一伸缩臂，第二支撑臂内滑动设有第二伸缩臂，第二支撑臂通过第一回转关节与第一伸缩臂相连接，第二伸缩臂的前端通过第二回转关节与末端执行机构相连接。
所述第一支撑臂的底部固定设有滑移座，滑移座位于地轨内，滑移座通过驱动伸缩件与地轨相连接。
所述末端执行机构包括滑移座、支撑座和夹爪机构，夹爪机构设置在支撑座上，支撑座通过万向节与滑移座相连接，且滑移座与支撑座之间设有偏航油缸和俯仰油缸。
所述夹爪机构包括夹爪本体和螺栓松紧机构，支撑座为中空状，支撑座内设有夹爪滑轨，夹爪本体与夹爪滑轨相配合，且通过移动油缸与支撑座相连接，螺栓松紧机构设置在夹爪滑轨外端一侧。
所述螺栓松紧机构包括伸缩油缸和对称设置的螺母套筒，螺母套筒向下穿过支撑座，螺母套筒的上部设有液压扳手，液压扳手的一端与螺母套筒固定连接、另一端通过连杆与伸缩油缸铰接。
所述模拟土仓的仓壁上设置至少一个摄像头，摄像头与后台控制系统的显示器相连接；所述机器人仓与模拟土仓之间设有密封闸门。
所述模拟土仓为扇形壳体，扇形壳体上部的轴向平面上设有泥水加注口和加压口，扇形壳体下部的轴向平面上设有排污口，泥水加注装置与泥水加注口密封连接，加压装置与加压口密封连接，排污装置与排污口密封连接。
本发明可模拟盾构机真实工况环境，模拟土仓内部为全密封结构，可承受在高压高湿环境中持续工作，换刀机器人与实际换刀机器人同比例缩小，其执行动作与控制系统与实际工况相同，全程高精度模拟滚刀换刀过程，换刀精度高、误差小，且能清楚观察整个换刀过程，数据可信度高。本发明模拟土仓提供最真实的刀仓环境，使换刀工况更加真实，实验数据更加准确。换刀机器人配合相对应的滚刀系统，可有效模拟滚刀的安装与拆卸过程，为换刀研究提供可靠数据支撑，确保后期施工的安全性，降低换刀风险。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明整体结构示意图。
图2为本发明模拟土仓内部结构示意图。
图3为本发明模拟土仓侧视示意图。
图4为本发明模拟式换刀机器人结构示意图。
图5为换刀机器人本体结构示意图。
图6为末端执行机构结构示意图。
图7为螺栓松紧机构结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1，如图1所示，一种盾构机机器人换刀实验装置，包括模拟土仓6和模拟式换刀机器人4，模拟土仓6上连接有泥水加注装置12和加压装置13，泥水加注装置12用于向模拟土仓中加注泥水，用来模拟盾构机土仓内渣土环境，最高湿度可达100%，加压装置用于对模拟土仓加压，模拟盾构机土仓内部高压环境，可加压0-30bar，使泥水和压力都与实况下土仓相同，保证模拟的工况的真实性。模拟土仓6的下部设有排污装置14，排污装置14可在系统不工作时，用于排出模拟土仓中的泥水。模拟土仓6内设有可摆动式滚刀系统7，可摆动式滚刀系统7可绕铰接点摆动，用来模拟刀盘旋转。模拟土仓6的一侧设有机器人仓5，模拟式换刀机器人4位于机器人仓5中且与可摆动式滚刀系统7相对应。机器人仓，用来放置机器人，其大小与盾构机人仓相当，其横截面积不超过4m2；机器人仓5与模拟土仓6相连，接口处密封；换刀机器人采用现有的模拟换刀机器人，模拟土仓提供最真实的刀仓环境，使换刀工况更加真实，实验数据更加准确。
进一步，如图2、3所示，所述可摆动式滚刀系统7包括刀梁本体701、支撑座702和新型滚刀组件8，新型滚刀组件8通过螺栓安装在刀梁本体701上，新型滚刀组件为适用于机器人换刀的新型刀座结构，采用螺栓与定位块固定形式安装。支撑座702设置在模拟土仓6底部内侧，支撑座702固定或相对小距离滑动设置在模拟土仓6底部内侧。刀梁本体701的一端与支撑座702铰接，刀梁本体701的下部设有俯仰油缸703，俯仰油缸703的一端与刀梁本体701铰接、另一端与支撑座702连接。即在俯仰油缸的伸缩作用下，刀梁本体绕与支撑座的连接点转动，模拟滚刀的转动，油缸装有内置行程传感器，可调节刀梁7的俯仰角度，用来模拟刀盘旋转。
支撑座702能相对小距离滑动设置时，在所述模拟土仓6的底部固定设有连接座9，支撑座702与连接座9可滑动连接，即支撑座上设有腰孔，支撑座通过穿过腰孔的螺栓与连接座连接，实现支撑座相对连接座的相对位置的调节。所述模拟土仓6的仓壁上设置至少一个摄像头11，摄像头11与后台控制系统的显示器相连接；为更清楚观测模拟土仓内部情况可在不同位置设置摄像头，摄像头11与后台控制系统的显示器相连接。为观测更清楚可采用高清摄像头，高清摄像头用来传输土仓内部的视频影像，便于观察换刀过程。所述机器人仓5与模拟土仓6之间设有密封闸门10。密封闸门用来隔断机器人仓与模拟土仓，在需要机器人换刀时闸门打开，否则闸门关闭，保证机器人仓内的洁净度。
进一步，所述模拟土仓6为扇形壳体，与现有土仓的一部分相类似，更能真是模拟真实工况下的换刀过程。扇形壳体上部的轴向平面上设有泥水加注口1和加压口2，扇形壳体下部的轴向平面上设有排污口3，泥水加注装置12与泥水加注口1密封连接，加压装置13与加压口2密封连接，排污装置14与排污口3密封连接，模拟土仓的整体保证密封性。
实施例2，如图4所示，一种盾构机机器人换刀实验装置，所述模拟式换刀机器人4包括换刀机器人本体402，换刀机器人本体402的前端设有末端执行机构401，末端执行机构401用于对滚刀的更换。所述机器人仓5内设有地轨403，地轨固定设置在机器人仓的下部的内壁上，换刀机器人本体402与地轨403滑动连接，即换刀机器人本体在驱动机构的作用下，能沿地轨滑动，实现远离滚刀组件或接近滚刀组件的移动。
优选地，如图5所示，所述换刀机器人本体402包括第一支撑臂402-1和第二支撑臂402-5，第一支撑臂402-1内滑动设有第一伸缩臂402-2，即第一伸缩臂可在驱动装置（油缸）沿第一支撑臂滑动，实现其长度的调节。第二支撑臂402-5内滑动设有第二伸缩臂402-6，即第二伸缩臂402-6可在驱动装置（油缸）沿第二支撑臂滑动，实现其长度的调节。第二支撑臂402-5通过第一回转关节402-3与第一伸缩臂402-2相连接，第二伸缩臂402-6的前端通过第二回转关节402-7与末端执行机构401相连接。第一回转关节和第二回转关节采用现有的回转件，实现相应伸缩臂与支撑臂的转动连接，使执行末端动作更加灵活。所述第一支撑臂402-1的底部固定设有滑移座402-10，地轨403为凹槽滑轨，滑移座402-10位于地轨403内，滑移座402-10通过驱动伸缩件与地轨403相连接，所述伸缩件可采用油缸，在油缸的推动作用下，换刀机器人本体沿地轨在机器人仓中移动。
优选地，如图6所示，所述末端执行机构401包括滑移座401-1、支撑座401-2和夹爪机构401-3，滑移座401-1与第二伸缩臂上的第二回转关节相连接，在第二回转关节的作用下，滑移座能相对第二伸缩臂转动。夹爪机构401-3设置在支撑座401-2上，夹爪机构401-3能自动张合，实现对滚刀的抓取与否。支撑座401-2通过万向节401-4与滑移座401-1转动连接，且滑移座401-1与支撑座401-2之间设有偏航油缸401-5和俯仰小油缸401-6，偏航油缸401-5和俯仰小油缸401-6的两端分别与滑移座401-1与支撑座401-2铰接。偏航油缸401-5和俯仰小油缸401-6伸缩并配合万向节，可实现末端执行机构的俯仰和偏航运动及具有两个方向的回转自由度，使其实现灵活换刀。
优选地，如图7所示，所述夹爪机构401-3包括夹爪本体3-1和螺栓松紧机构，支撑座401-2为中空状，支撑座401-2内固定设有夹爪滑轨3-2，夹爪本体3-1与夹爪滑轨3-2相配合，且通过移动油缸3-3与支撑座401-2相连接，即在移动油缸的作用下夹爪本体能沿夹爪滑轨移动，实现夹爪本体相对支撑座的移动。螺栓松紧机构设置在夹爪滑轨3-2外端一侧，螺栓松紧机构用于对固定滚刀的螺栓的松紧，起到拆装滚刀的作用。
优选地，所述螺栓松紧机构包括伸缩油缸3-4和对称设置的螺母套筒3-5，伸缩油缸3-4与夹爪滑轨铰接，称设置的螺母套筒分别与位于滚刀刀轴两侧的螺栓螺母相对应，螺母套筒与相对应的螺栓螺母卡接，能带动其转动。螺母套筒3-5向下穿过支撑座401-2，螺母套筒的上部位于支撑座内、下部向外伸出支撑座，螺母套筒能相对支撑座转动，螺母套筒3-5的上部设有液压扳手3-6，液压扳手3-6的一端与螺母套筒3-5固定连接、另一端通过连杆3-7与伸缩油缸3-4铰接。使用时，伸缩油缸伸缩，通过连杆和液压扳手带动套筒转动，形成类似人拧螺栓的动作，实现对刀座上螺栓的松紧功能。
其他结构与实施例1相同。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种盾构机机器人换刀实验装置，其特征在于：包括模拟土仓（6）和模拟式换刀机器人（4），模拟土仓（6）上连接有泥水加注装置（12）和加压装置（13），模拟土仓（6）的下部设有排污装置（14），模拟土仓（6）内设有可摆动式滚刀系统（7），模拟土仓（6）的一侧设有机器人仓（5），模拟式换刀机器人（4）位于机器人仓（5）中且与可摆动式滚刀系统（7）相对应；
所述模拟式换刀机器人（4）包括换刀机器人本体（402），换刀机器人本体（402）的前端设有末端执行机构（401），所述机器人仓（5）内设有地轨（403），换刀机器人本体（402）与地轨（403）滑动连接；
所述末端执行机构（401）包括滑移座（401-1）、支撑座（401-2）和夹爪机构（401-3），夹爪机构（401-3）设置在支撑座（401-2）上，支撑座（401-2）通过万向节（401-4）与滑移座（401-1）相连接，且滑移座（401-1）与支撑座（401-2）之间设有偏航油缸（401-5）和俯仰油缸（401-6）；
所述夹爪机构（401-3）包括夹爪本体（3-1）和螺栓松紧机构，支撑座（401-2）为中空状，支撑座（401-2）内设有夹爪滑轨（3-2），夹爪本体（3-1）与夹爪滑轨（3-2）相配合，且通过移动油缸（3-3）与支撑座（401-2）相连接，螺栓松紧机构设置在夹爪滑轨（3-2）外端一侧；
所述可摆动式滚刀系统（7）包括刀梁本体（701）、支撑座（702）和新型滚刀组件（8），新型滚刀组件（8）通过螺栓安装在刀梁本体（701）上，支撑座（702）设置在模拟土仓（6）底部内侧，刀梁本体（701）的一端与支撑座（702）铰接，刀梁本体（701）的下部设有俯仰油缸（703），俯仰油缸（703）的一端与刀梁本体（701）铰接、另一端与支撑座（702）连接。
2.根据权利要求1所述的盾构机机器人换刀实验装置，其特征在于：所述模拟土仓（6）的底部固定设有连接座（9），支撑座（702）与连接座（9）可滑动连接。
3.根据权利要求1或2所述的盾构机机器人换刀实验装置，其特征在于：所述换刀机器人本体（402）包括第一支撑臂（402-1）和第二支撑臂（402-5），第一支撑臂（402-1）内滑动设有第一伸缩臂（402-2），第二支撑臂（402-5）内滑动设有第二伸缩臂（402-6），第二支撑臂（402-5）通过第一回转关节（402-3）与第一伸缩臂（402-2）相连接，第二伸缩臂（402-6）的前端通过第二回转关节（402-7）与末端执行机构（401）相连接。
4.根据权利要求3所述的盾构机机器人换刀实验装置，其特征在于：所述第一支撑臂（402-1）的底部固定设有滑移座（402-10），滑移座（402-10）位于地轨（403）内，滑移座（402-10）通过驱动伸缩件与地轨（403）相连接。
5.根据权利要求1或4所述的盾构机机器人换刀实验装置，其特征在于：所述螺栓松紧机构包括伸缩油缸（3-4）和对称设置的螺母套筒（3-5），螺母套筒（3-5）向下穿过支撑座（401-2），螺母套筒（3-5）的上部设有液压扳手（3-6），液压扳手（3-6）的一端与螺母套筒（3-5）固定连接、另一端通过连杆（3-7）与伸缩油缸（3-4）铰接。
6.根据权利要求1所述的盾构机机器人换刀实验装置，其特征在于：所述模拟土仓（6）的仓壁上设置至少一个摄像头（11），摄像头（11）与后台控制系统的显示器相连接；所述机器人仓（5）与模拟土仓（6）之间设有密封闸门（10）。
7.根据权利要求1或2或4或6所述的盾构机机器人换刀实验装置，其特征在于：所述模拟土仓（6）为扇形壳体，扇形壳体上部的轴向平面上设有泥水加注口（1）和加压口（2），扇形壳体下部的轴向平面上设有排污口（3），泥水加注装置（12）与泥水加注口（1）密封连接，加压装置（13）与加压口（2）密封连接，排污装置（14）与排污口（3）密封连接。
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